氨(NH3)作为一种多功能的工业原料，广泛用于氮基肥料、化学品、制药和聚合物的生产。工业NH3的生产依赖于高温高压(即350-450°C和150-200 bar)的Haber-Bosch工艺。这种碳密集型和高耗能的工艺消耗了世界年能源产出的约1%，并产生了全球1.3%的CO2排放。开发环境可持续和经济的NH3合成途径是迫切且必要的。
近年来，温和条件下的硝酸盐(NO3–)电化学还原反应(NO3–RR)生产NH3越来越受到关注。然而，NO3–RR的性能受到缓慢动力学的阻碍，以及具有多种副产物的复杂反应途径。
此外，竞争性HER也阻碍了NH3法拉第效率。因此，探索和开发一种高效的电催化剂以抑制HER过程，并使NO3–能够按预期转化为高价值的NH3具有重要意义。
近日，延安大学杨春明、付峰、山西大学杨恒权和南京林业大学荆宇等通过调节Cu2O纳米立方体电催化剂的尺寸效应，实现了Cu0/Cu+界面结构的可控构建，进而显著提升NO3–RR选择性。
结合原位电化学拉曼和XANES光谱表征结果表明，通过合理调整Cu2O前驱体的粒径，可以有效地构建具有灵活Cu0和Cu+比例的Cu/Cu2O界面结构。在Cu0-Cu+界面结构可控构建的基础上，通过电化学测量和理论计算相结合的方法，阐明了Cu+和Cu0位点在NO3–RR过程中的协同作用。结果表明，Cu0是Cu0-Cu+中的主要活性位点，Cu+有助于削弱NO3–吸附，并且提供充足的*H物种以加速NH2到NH3的加氢限速步。
基于Cu+-Cu0界面电催化剂的设计，研究人员开发了一种高效的NO3–RR//HMFOR耦合电解系统，以同时实现在工业相关电流密度下NH3和FDCA的高效生产，同时保持高法拉第效率(NH3为75.6%，FDCA为71.2%)、高产率(NH3为5.20 mmol h-1 cm-2，FDCA为0.47 mmol h-1 cm-2)和在面积为100 cm2的AEM电解槽中的长期运行稳定性(20小时)。
总的来说，该项研究提供了一种节能、环保的电催化剂的设计策略，为推进大规模工业电解合成高附加值产品铺平了道路。
Size-effect induced controllable Cu0-Cu+ sites for ampere-level nitrate electroreduction coupled with biomass upgrading. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-57097-x